CN101728773B - 基于光耦控制的全适应高压开关控制器 - Google Patents

Abstract

基于光耦控制的全适应高压开关控制器属高压变电站控制设备。与高压断路器的操作机构相连，由跳合闸保持回路和位置监视回路几部分构成。在合闸保持、跳闸保持和跳闸位置监视、合闸位置监视回路中设置光耦。各光耦发光部件一端连接回路高压断路器的操作机构，另一端通过位置指示灯或继电器常开接点与控制电源正极相连，光耦的接点导通部分连接在各回路继电器输入端上。本控制器充分利用光耦灵敏，导通电流较小的特点，实现小电流对大功率器件的控制，全适应跳合闸保持电流从10mA到5A不等的各种跳合闸操作机构对断路器的控制，极大地提高了变电站继电保护装置及智能操作箱的安全性与可靠性，解除变电站的安全隐患，还可用于铁路等其他控制系统。

Description

基于光耦控制的全适应高压开关控制器

所属技术领域

本发明涉及电力系统的电压变电站的控制设备，特别是基于光耦控制的全适应高压开关控制器。

背景技术

作为高压开关，高压断路器是变电所主要的电力控制设备，具有灭弧特性，当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备的空载和负载电流；当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流防止扩大事故范围。因此，高压断路器工作的好坏直接影响到电力系统的安全运行。而断路器的品质好坏与断路器的控制装置、控制装置与断路器的操作机构合理配合密切相关。高压断路器的控制装置即高压开关控制器安装在各电压等级变电站内的继电保护装置及智能操作箱内，主要实现以下三个方面功能：

a)实现跳保持与合保持的功能。保护出口接点在导通跳合闸回路的同时启动跳合闸保持回路，由跳合闸保持回路来保证即使保护接点断开，跳合闸回路仍旧是导通的。

b)监视断路器的状态。如监视断路器的位置信息与控制回路的状态。

c)防止开关跳跃(简称防跳)功能。

目前使用的断路器操作机构大体可分为电磁操作机构、弹簧操作机构、永磁操作机构，种类多样，生产厂家繁多。不同厂家、不同型号的断路器操作机构其跳合闸保持电流是不同的，从10mA到5A不等。在断路器操作过程中，断路器操作机构的跳合闸保持电流大于跳合闸保持继电器最小动作电流时，跳合闸保持继电器动作，跳合闸保持继电器接点闭合。在跳合闸接点返回后，由于跳合闸保持继电器接点已经闭合，与跳合闸保持继电器仍然构成回路，使其自保持，直至断路器操作机构动作。而如果断路器操作机构的保持电流小于跳合闸继电器的最小动作电流约100mA时，跳合闸保持继电器就不能动作，此时，当跳合闸接点返回后，由于跳合闸保持继电器接点并没有闭合，跳合闸保持回路断开，导致其不能自保持。因而不能实现在导通跳合闸回路的同时启动跳合闸保持回路，保持继电器动作，断路器机构不能正常断开与闭合，给变电站的安全运行带来极大隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够适应各种高压断路器操作机构的全适应高压开关控制器。这种控制器能够保证各种断路器操作机构的断路器跳合闸保持电流在10mA到5A的范围内正常工作，彻底解决目前小电流操作机构不能直接使用的问题，极大提高变电站继电保护装置及智能操作箱的安全性与可靠性，解除变电站安全运行的隐患。

本发明的目的是这样达到的：

一种基于光耦控制的全适应高压开关控制器，与高压断路器的操作机构相连接。控制器由跳合闸监视回路和保持回路组成。监视回路包括跳闸位置监视回路、合闸位置监视回路、合后位置监视回路。保持回路包括合闸保持回路、跳闸保持回路。各个回路均为继电器组成的开关回路。在合闸保持回路、跳闸保持回路和跳闸位置监视回路、合闸位置监视回路中，还设置有光耦。各个光耦发光部件的一端与各自回路的高压断路器的操作机构相连接，另一端通过位置指示灯或继电器的常开接点与控制电源正极相连，光耦的接点导通部分分别连接在各个回路的继电器输入端上。

在合闸保持回路中光耦发光部件的一端连接在断路器的操作机构CZJGH上，另一端与合闸保护动作常开接点BHJB连接，光耦的接点导通部分连接在合闸保持继电器HBJ2A的输入端与控制电源负极上；在跳闸保持回路中光耦的发光部件的一端连接在断路器的操作机构CZJGT上，另一端与跳闸保护动作常开接点BTJC连接，光耦的接点导通部分连接在跳闸保持继电器TBJ2A的输入端与控制电源正极上；在跳闸位置监视回路中光耦的发光部件一端连接在断路器操作机构的跳闸位置监视信号输入端TWJS上，另一端通过跳闸位置指示灯LD2与控制电源正极相连，光耦的接点导通部分连接在跳闸位置监视继电器TWJ1A的输入端与控制电源正极上；在合闸位置监视回路中，光耦的发光部件一端连接在断路器操作机构的合闸位置监视信号输入端HWJS，另一端通过合闸位置指示灯HD2与控制电源正极相连，光耦的接点导通部分连接在合闸位置监视继电器HBWJ3A的输入端与控制电源正极上。

在各个光耦接点导通部分与其对应的继电器的输入端之间连接有限流电阻。

在合闸保持回路和跳闸保持回路中，分别设置有合闸保护动作常开接点、合闸保持常开接点，跳闸保护动作常开接点、跳闸保持常开接点；合闸保护动作常开接点、合闸保持常开接点与跳闸保护动作常开接点、跳闸保持常开接点分别以并联的方式连接在各自光耦发光部件的输入端上。

在跳闸位置监视回路和合闸位置监视回路中设置监视信号指示灯，在跳闸监视回路中采用跳闸位置指示灯LD2显示，在合闸位置监视回路中采用合闸位置指示灯HD2显示。

本发明的优点是：

1、本控制器充分利用了光耦灵敏，导通电流较小、隔离性能好的特点，将光耦作为中间部件去启动动作电流较大的保持继电器，达到了用小电流去驱动大功率器件的目的。在变电站、铁路运行控制等领域中开拓了新的控制途径。

2、能够全适应跳合闸保持电流从10mA到5A不等的各种跳合闸操作机构对断路器的控制，解决了现有断路器控制回路只能使用大电流操作机构，小电流操作机构不能直接使用的问题，解除了变电站的安全隐患。

3、使用本控制器后跳合闸动作可靠，动作速度快。极大地提高了变电站继电保护装置及智能操作箱的安全性与可靠性。

4、结构简单、性能可靠，安全边际高，费用低廉，适宜大面积推广。

附图说明

图1是本发明的全适应高压开关控制器结构方框图。

图2是本发明的原理示意图。

图3是合闸保持及跳闸位置监视电路图。

图4是跳闸保持及合闸位置监视电路图。

图1中，CZJGH为断路器合闸操作机构，CZJGT为断路器跳闸操作机构，LEDT为跳闸位置指示灯，DSP-T为跳闸位置监视继电器，OPTTJS为跳闸位置监视回路光耦发光二极管，OPTTJS-A为跳闸位置监视回路光耦的导通部分，TWJS为跳闸位置监视信号输入端，HBJ为合闸保持继电器，OPTHJS为合闸位置监视回路光耦发光部分的二极管，OPTHJS-A为合闸位置监视回路光耦的导通部分，HWJS为合闸位置监视信号输入端，OPTH-A为合闸保持回路光耦导通接点，OPTH合闸保持回路光耦发光二极管，BHJ-A为保护合闸继电器常开接点；HBJ-A为合闸保持继电器常开接点，HHJ为合后位置监视继电器，BTJ-A为保护跳闸继电器常开接点，OPTT-A为跳闸保持回路光耦导通接点，OPTT跳闸回路光耦发光二极管，TBJ-A为跳闸保持继电器常开接点，TBJ为跳闸保持继电器，LEDH为合闸位置指示灯、DSP-H为合闸位置监视继电器。

图2中，R为限流电阻，OPT为光耦的发光部分，OPT-1为光耦的接点导通部分，THBJ为跳合闸保持继电器，THBJ-1为跳合闸保持继电器的常开接点，THDZJ-1为跳合闸动作继电器的常开接点，CZJG为断路器的操作机构。

图3中，CZJGH为断路器合闸操作机构，TWJS是跳闸位置监视信号输入，TWJ1A与TWJ7A为跳闸位置监视继电器，R5与R6都为限流电阻，D2与D3为TWJ1A与TWJ7A的稳压管，G1为跳闸位置监视回路中的光耦，其1、2引脚为光耦的发光部分，4、5为光耦的接点导通部分，DX1、DX3为保护二极管，LD2为跳闸位置监视指示灯，DW6为稳压管，DW1与DW2为分压稳压管，R1与R3为光耦限流电阻，HBJ2A为合闸保持继电器，R7与R8都为合闸保持继电器的限流电阻，G2为合闸保持回路中的光耦，其1、2引脚为光耦的发光部分，4、5为光耦的接点导通部分，HBJ2B为合闸保持继电器的常开接点，D6为合闸保持继电器的稳压管，BHJB为保护合闸常开接点，R22为光耦G2的限流电阻，D9、D10、D11、D12为分流二极管。

图4中，CZJGT是断路器跳闸操作机构，HWJS是合闸位置监视信号输入，HWJ3A合闸位置监视继电器，R18与R20都为HWJ3A的限流电阻，D14为HWJ3A的稳压管，G9为合闸位置监视回路中的光耦，其1、2引脚为光耦的发光部分，4、5为光耦的接点导通部分，DX4、DX5为保护二极管，HD2为合闸位置监视指示灯，DW5为稳压管，R14与R15为限流电阻，TBJ2A为跳闸保持继电器，R17与R19都为跳闸保持继电器TBJ2A的限流电阻，G10为跳闸保持回路中的光耦，其1、2引脚为光耦的发光部分，4、5为光耦的接点导通部分，TBJ2C为跳闸保持继电器的常开接点，D19为跳闸保持继电器的稳压管，BTJC为保护跳闸的常开接点，R23为光耦G10的限流电阻，D15、D16、D17为分流二极管。

具体实施方式

参见附图2可知，本发明的基本原理是充分利用了光耦的灵敏性，将光耦作为中间部件去驱动大功率的继电器。其原理过程如下：当跳合闸动作继电器的常开接点THDZJ-1闭合后，断路器控制回路就有电流从电源正极，经A→B→C→D→G→H，最后回到电源负极。其中：A、B为THDZJ-1的两个引脚；C、D为光耦发光二极管部分的两个引脚；G、H为断路器操作机构的两个输入引脚。根据断路器操作机构的不同，此流过的电流幅值从10mA到5A不等。由于光耦比较灵敏，只需2mA的电流就可以导通，所以，即使只有10mA的电流，光耦也可导通。当光耦OPT导通后，就会有电流从电源正极通过限流电阻R、光耦的导通接点OPT-1以及跳合闸保持继电器THBJ流到电源负极。通过调节限流电阻R的大小，就可以保证流过跳合闸保持回路的电流满足跳合闸保持继电器的最小动作电流，使其动作。在跳合闸保持继电器THBJ动作后，其常开接点THBJ-1闭合。当跳合闸动作继电器的常开接点THDZJ-1动作完成断开后，由于THBJ-1已经闭合，断路器控制回路仍有电流从电源正极，经E→F→C→D→G→H，最后回到电源负极。其中：E、F为THBJ-1的两个引脚；C、D为光耦发光部分的两个引脚；G、H为断路器操作机构的两个输入引脚。此时，电流从电源正极，经E→F→C→D→G→H，最后到电源负极，仍然构成一个闭合的回路，所以，断路器的操作机构就能够正常动作。

附图1、3、4给出了发明的一个具体实施例。本实施例由跳闸位置监视回路、合闸保持回路、合后位置监视回路、跳闸保持回路和合闸位置监视回路5部分构成，各个回路均为继电器组成的开关回路。在跳闸位置监视回路、合闸保持回路、跳闸保持回路和合闸位置监视回路中设置有光耦。在合闸保持回路中合闸保持光耦G2的发光部件的一端连接在断路器的操作机构CZJGH上，另一端与合闸保护动作常开接点连接，光耦的接点导通部分连接在合闸保持继电器HBJ2A的输入端与控制电源负极上。在跳闸保持回路中跳闸保持光耦G10的发光部件的一端连接在断路器的操作机构CZJGT上，另一端与跳闸保护动作常开接点连接，光耦的接点导通部分连接在跳闸保持继电器TBJ2A的输入端与控制电源正极上。在跳闸监视回路中跳闸位置监视光耦G1的发光部件一端连接在断路器操作机构的跳闸位置监视信号输入端TWJS上，另一端通过标示跳闸位置的指示灯与控制电源正极相连，光耦的接点导通部分连接在跳闸监视继电器TWJ1A的输入端和控制电源正极上。当断路器断开后，TWJS跳闸位置监视信号输入端与控制电源负极相联。在合闸监视回路中，合闸位置监视光耦G9的发光部件一端连接在断路器操作机构的合闸位置监视信号输入端HWJS上，另一端通过标示合闸位置的指示灯与控制电源正极相连，光耦的接点导通部分连接在合闸监视继电器HWJ3A的输入端与控制电源正极上。当断路器闭合后，HWJS合闸位置监视信号输入端与控制电源负极相连。

在本实施例中，采用的光耦均使用TLP372型。

参见图3合闸保持及跳闸位置监视回路具体电路图。

TWJ1A与TWJ7A为跳闸位置监视继电器，其型号为DSP1-DC24V。R5与R6都为限流电阻，使流过继电器TWJ1A与TWJ7A的电流小于其所允许值。R5为4.7K/2W，R6为8.2K/2W。D2与D3为TWJ1A与TWJ7A的稳压管，其作用是使跳闸位置监视继电器两端的电压不大于其所允许的最大值，D2与D3都为24V稳压管。G1为跳闸位置监视回路中的光耦，型号为TLP372，其1、2引脚为光耦的发光部分，4、5为光耦的接点导通部分。DX1、DX3为保护二极管，防止回路反向导通，其型号为1N4007。LD2为跳闸位置指示，DW6为稳压管，防止LD2两端的电压高于其允许值，其型号为3.9V稳压管。DW1与DW2为稳压管，在本电路中起到分压的作用，型号为24V稳压管。R1与R3为限流电阻，使流过光耦发光部分的电流小于其所允许的最大值，R1为20KΩ/1W，R3为36KΩ/1W`。

TWJS为跳闸位置监视信号输入端，当断路器断开后，此信号端与控制电源负极相连。HBJ2A为合闸保持继电器，其型号为DSP1-DC24V。R7与R8都为限流电阻，使流过合闸保持继电器HBJ2A的电流小于其所允许的最大值。G2为合闸保持回路中的光耦，型号为TLP372，其1、2引脚为光耦的发光部分，4、5为光耦的接点导通部分。BHJB为保护合闸的常开接点，由变电站系统软件进行控制，当进行合闸时，BHJB常开接点闭合。HBJ2B为合闸保持继电器的常开接点。D6为合闸保持继电器的稳压管，其作用是使合闸保持继电器两端的电压不大于其所允许的最大值，D6为24V稳压管。R22为光耦G2的限流电阻，使流过光耦G2发光部分的电流不超过其所允许的最大值，其型号为47Ω/1W。D9、D10、D11、D12为分流二极管。当流过光耦G2的电流过大时，分流二极管可以起到分流的作用，保护光耦的安全性。

当进行合闸操作时，BHJB合闸继电器的常开接点闭合，断路器合闸保持回路就有电流从电源正极，经G2-1与G2-2，然后通过断路器合闸执行机构，最后回到电源负极，其中G2-1与G2-2为光耦G2的发光部分的两个引脚。由于光耦G2的发光部分有电流流过，G2的接点部分闭合，即G2-4、G2-5导通，当G2-4、G2-5导通后，就会有电流从电源正极通过限流电阻R7、R8以及合闸保持继电器HBJ2A流到电源负极，合闸保持继电器HBJ2A动作。合闸保持继电器HBJ2A动作后，其常开接点HBJ2B接着闭合。当BHJB合闸继电器的常开接点动作完成断开后，由于HBJ2B已经闭合，断路器控制回路仍有电流从电源正极，经G2-1与G2-2，然后通过断路器合闸执行机构，最后回到电源负极。

当断路器跳开后，跳闸位置监视回路中就有电流从电源正极，经DX1→LD2→DW1→G1-1→G1-2→DW2→R1→R3经过断路器，最后回到电源负极。其中G1-1与G1-2为光耦G1的发光部分的两个引脚。由于光耦G1的发光部分有电流流过，G1的接点部分闭合，即G1-4、G1-5导通，当G1-4、G1-5导通后，就会有电流从电源正极通过TWJ1A→TWJ7A→限流电阻R5、R6回到电源负极。TWJ1A与TWJ7A动作后，其常开接点就会闭合，产生相应的跳位信号。

参见附图4跳闸保持及合闸位置监视电路图。

HWJS为合闸位置监视信号输入端，当断路器闭合后，此信号端与控制电源负极相连。HWJ3A合闸位置监视继电器，其型号为DSP1-DC24V。R18与R20都为限流电阻，使流过继电器HWJ3A的电流小于其所允许值。R18为6.8K/2W，R20为8.2K/2W。

D14为HWJ3A的稳压管，其作用是使合闸位置监视继电器两端的电压不大于其所允许的最大值，D14为24V稳压管。G9为合闸位置监视回路中的光耦，其1、2引脚为光耦的发光部分，4、5为光耦的接点导通部分。DX4、DX5为保护二极管，防止回路反向导通，其型号为1N4007。HD2为合闸位置指示灯，DW5为稳压管，其防止HD2两端的电压高于其允许值，其型号为3.9V稳压管。R14与R15为限流电阻，使流过光耦发光部分的电流小于其所允许的最大值，R14为30KΩ/1W，R15为36KΩ/1W`。HWJS为合闸位置监视信号输入端。TBJ2A为跳闸保持继电器；其型号为ST1-DC24V。R17与R19都为限流电阻，使流过跳闸保持继电器TBJ2A的电流小于其所允许的最大值。

G10为跳闸保持回路中的光耦，其1、2引脚为光耦的发光部分，4、5为光耦的接点导通部分。BTJC为保护跳闸的常开接点，由变电站系统软件进行控制，当进行跳闸时，BTJC常开接点闭合。TBJ2C为跳闸保持继电器的常开接点。D19为跳闸保持继电器的稳压管，其作用是使合闸保持继电器两端的电压不大于其所允许的最大值，D19为24V稳压管。R23为光耦G10的限流电阻，使流过光耦G10发光部分的电流不超过其所允许的最大值，其型号为47Ω/1W。D15、D16、D17为分流二极管。当流过光耦G10的电流过大时，分流二极管可以起到分流的作用，保护光耦的安全性。

当进行跳闸操作时，BTJC跳闸继电器的常开接点闭合，断路器跳闸保持回路就有电流从电源正极，经G10-1与G10-2，然后通过断路器跳闸执行机构，最后回到电源负极，其中G10-1与G10-2为光耦G10的发光部分的两个引脚。由于光耦G10的发光部分有电流流过，G10的接点部分闭合，即光耦接点导通部分的引脚G10-4、G10-5导通，当G10-4、G10-5导通后，就会有电流从电源正极通过限流电阻R17、R19以及跳闸保持继电器TBJ2A流到电源负极，跳闸保持继电器TBJ2A动作。跳闸保持继电器TBJ2A动作后，其常开接点TBJ2C接着闭合。当BTJC跳闸继电器的常开接点动作完成断开后，由于TBJ2C已经闭合，断路器控制回路仍有电流从电源正极，经G10-1与G10-2，然后通过断路器跳闸执行机构，最后回到电源负极。

当断路器闭合后，合闸位置监视回路中就有电流从电源正极，经HD2→G9-1→G9-2→R14→R15经过断路器，最后回到电源负极。其中G9-1与G9-2为光耦G9的发光部分的两个引脚。由于光耦G9的发光部分有电流流过，G9的接点导通部分闭合，即光耦G9-4、G9-5导通，当G9-4、G9-5导通后，就会有电流从电源正极通过HWJ3A→限流电阻R18、R20回到电源负极。HWJ3A动作后，其常开接点就会闭合，产生相应的合位信号。

Claims (4)

1.一种基于光耦控制的全适应高压开关控制器，与高压断路器的操作机构相连接，其特征在于：控制器由跳合闸的监视回路和保持回路组成，监视回路包括跳闸位置监视回路、合闸位置监视回路、合后位置监视回路，保持回路包括合闸保持回路、跳闸保持回路；各个回路均为继电器组成的开关电路；在合闸保持回路、跳闸保持回路和跳闸位置监视回路、合闸位置监视回路中，设置有光耦，各个光耦发光部件的一端与各自回路的高压断路器的操作机构相连接，另一端通过位置指示灯或继电器的常开接点与控制电源正相连，光耦的接点导通部分分别连接在各个回路的继电器输入端上：在合闸保持回路中光耦发光部件的一端连接在断路器的操作机构(CZJGH)上，另一端与合闸保护动作常开接点(BHJB)连接，光耦的接点导通部分连接在合闸保持继电器(HBJ2A)的输入端与控制电源负之间；在跳闸保持回路中光耦的发光部件的一端连接在断路器的操作机构(CZJGT)上，另一端与跳闸保护动作常开接点(BTJC)连接，光耦的接点导通部分连接在跳闸保持继电器(TBJ2A)的输入端与控制电源正之间；在跳闸位置监视回路中光耦的发光部件一端连接在断路器操作机构的跳闸位置监视信号输入端(TWJS)上，另一端通过跳闸位置指示灯(LD2)与控制电源正相连，光耦的接点导通部分连接在跳闸监视继电器(TWJ1A)的输入端和控制电源正之间；在合闸位置监视回路中，光耦的发光部件一端连接在断路器操作机构的合闸位置监视信号输入端(HWJS)上，另一端通过合闸位置指示灯(HD2)与控制电源正相连，光耦的接点导通部分连接在合闸位置监视继电器(HBWJ3A)的输入端和控制电源正之间。

2.如权利要求1或2所述的全适应高压开关控制器，其特征在于：在各个光耦接点导通部分与其对应的继电器的输入端之间连接有限流电阻。

3.如权利要求1所述的全适应高压开关控制器，其特征在于：在合闸保持回路中，设置有保护合闸动作常开接点(BHJ-A)、合闸保持常开接点(HBJ-A)，保护合闸动作常开接点、合闸保持常开接点以并联的方式连接在光耦发光部件的输入端上；在跳闸保持回路中设置有保护跳闸动作常开接点(BTJ-A)、跳闸保持常开接点(TBJ-A)，跳闸保护动作常开接点、跳闸保持常开接点以并联的方式连接在光耦发光部件的输入端上。

4.如权利要求1所述的全适应高压开关控制器，其特征在于：在跳闸位置监视回路和合闸位置监视回路中设置监视信号指示灯，在跳闸监视回路中采用跳闸位置指示灯(LD2)显示，在合闸位置监视回路中采用合闸位置指示灯(HD2)显示。

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